基于荧光效应的矩阵-矢量乘法实现新方法创新与其应用前景
深圳大学张晗教授团队在《Optica》期刊(2025年第12卷第7期)发表的研究成果,提出了一种基于荧光效应的矩阵-矢量乘法新方法,实现了光学神经网络线性部分的硬件化,并创新性地融合了存储、计算与显示功能。该技术为突破传统光学信号处理的能耗与延迟瓶颈提供了全新解决方案,在智能传感、自主系统及医学成像等领域具有重要应用价值。
传统光学信号处理的技术瓶颈
在人工智能推动计算机视觉快速发展的背景下,环境监测、医学成像等领域对光学信号处理的效率提出了更高要求。当前主流技术路径需经历"信号捕获-电信号转换-计算处理-显示输出"的全流程,存在三方面显著局限:
其一,传感、存储、处理与显示单元的分离架构,导致数据流转过程中产生大量时间与能量损耗;其二,光-电(O/E)与电-光(E/O)转换所需的模数(ADC)、数模(DAC)转换器进一步加剧能耗;其三,数据存储环节不仅面临大容量需求压力,还存在隐私泄露风险。
光学神经网络(ONNs)虽通过直接在光域处理数据,利用并行性与大带宽特性降低能耗与延迟,但现有方案多依赖光的干涉、吸收等物理过程,未能解决计算与显示功能分离的核心问题。
荧光矩阵矢量乘法的技术原理
研究团队提出的荧光矩阵矢量乘法(FMVM),基于螺吡喃-花青薄膜的可逆荧光修饰特性,构建了兼具可编程性与非易失性的光学计算系统,其核心机制体现在三方面:
1.光致变色的权重调制机制
螺吡喃分子在紫外光照射下可转化为具有荧光特性的花青分子,而花青分子在可见光照射下能逆转为螺吡喃。这种双向光致变色效应,使薄膜可通过紫外光"写入"权重(花青浓度分布),通过可见光"擦除"权重,实现神经网络权重的非易失性重构。实验验证显示,该薄膜在黑暗环境中可稳定保持权重至少8000秒,经100次写入-擦除循环后性能衰减小于5%,为长期可靠计算提供了物理基础。
2.荧光效应的乘法运算实现
荧光强度由紫外输入信号强度、花青浓度及荧光效率共同决定,满足关系式If=cmc·emc·IUV(其中If为荧光强度,cmc为花青浓度,emc为荧光效率,IUV为紫外光强度)。这一物理过程天然实现了输入信号与权重的逐元素乘法运算,且荧光输出直接构成计算结果的可见化呈现,使"计算即显示"成为可能。
3.内存-显示计算的一体化架构
系统通过微透镜阵列将紫外输入信号"扇出"为多通道并行信号,投射至已编程权重的薄膜上,经荧光乘法运算后,通过光学"扇入"完成信号求和与非线性处理,最终输出可见化结果。整个过程在光域内完成,无需电信号转换与外部存储,实现了存储、计算、显示功能的有机集成,处理延迟可达纳秒级,显著突破了传统架构的效率限制。
实验验证与技术特性
为验证FMVM的可行性,研究团队以指纹识别为案例开展实验:
1.对指纹图像进行裁剪、二值化预处理,生成20×20像素的输入信号;
2.通过反向传播算法优化权重矩阵(100×100像素),并利用紫外投影仪将权重编程至薄膜;
3.紫外指纹信号经扇出后投射至薄膜,荧光输出经扇入处理后,清晰呈现出对应识别结果(大写字母"B"),实验结果与模拟结果高度吻合。
该实验证实,FMVM具有三大技术优势:一是并行处理能力,通过光信号的空间并行性实现多通道同步计算;二是超低延迟,荧光响应时间仅1纳秒,满足高速实时处理需求;三是被动运行特性,无需外部电源驱动,显著降低能耗。
应用前景与发展方向
FMVM在多个领域展现出应用潜力:在深海生物监测中,可直接将海洋生物的紫外辐射转为可见荧光,实现实时成像;在高压电线故障检测中,能快速定位紫外辐射源并可视化故障点;在医学成像领域,可简化X光、紫外成像的信号处理链路,提升成像效率与安全性。
未来发展可聚焦三方面:一是集成光电非线性激活函数,增强系统的非线性计算能力;二是开发多层架构,通过异质光子材料设计解决波长匹配问题,拓展计算深度;三是优化材料性能,提升发光效率与显示分辨率,进一步降低环境光干扰。
作为一种基于量子过程(光子吸收与发射)的创新计算范式,FMVM为光学神经网络的实用化开辟了新路径。随着可逆荧光材料的多样化发展,该技术有望在智能传感、自主系统等领域推动形成紧凑高效的新型计算硬件体系。
-
光纤激光准直光学设计:基于场景需求的多方案优化实践研究
光纤激光器凭借其高稳定性与优异光束质量,已广泛应用于科研与工业领域。然而,激光从光纤出射后存在自然发散特性,需通过准直光学系统进行校正。不同应用场景的功率、波长需求存在显著差异,这直接决定了准直透镜的选型逻辑与设计方向,亦是光纤激光准直设计的核心出发点。
2025-09-19
-
从紫外至红外的光谱视界解析不同波段光学成像技术原理与应用研究
光学成像技术作为现代光学工程的核心分支,凭借对不同光谱波段的精准利用,构建了多元化的视觉感知体系。从高能量特性的紫外波段,到适配人类视觉感知的可见光波段,再到承载物体热辐射信息的红外波段,各类成像技术均以特定物理规律为基础,为工业检测、科学研究、民生服务等领域提供了关键技术支撑。深入剖析不同波段成像技术的原理机制与应用场景,不仅有助于完善光学工程学科理论体系,更能为技术创新与产业应用提供方向指引。
2025-09-19
-
Camera成像原理与流程解析:从光线到图像的技术实现
相机捕捉景物并生成图像的过程看似简便,实则是光学、电子技术与算法深度协同的复杂系统工程。对于图像质量工程师而言,精准掌握Camera成像原理是开展画质优化、问题排查工作的核心基础;对于从事相关技术研发或应用的人员,理解这一过程也有助于更科学地运用成像设备、提升图像输出质量。本文将从成像系统的核心组成模块入手,系统拆解光线转化为数字图像的完整技术流程,梳理关键技术环节的作用机制。
2025-09-19
-
中红外激光传输技术突破:我国成功研发低损耗碲酸盐反谐振空芯光纤
中红外波段(210μm)因可精准捕获分子振动指纹特征,被学界誉为“分子光谱黄金波段”,在分子结构分析、无创生物医学诊断、大气污染物实时传感及国防红外激光技术等领域具有不可替代的战略价值。近年来,量子级联激光器、光学参量振荡器及超连续谱光源等中红外激光源已实现功率与波长范围的突破,但“激光高效传输”始终是制约该领域技术落地的关键瓶颈——传统中红外实芯光纤受限于材料固有吸收、显著非线性效应及较低热损伤阈值,难以在210μm全波段实现稳定高效传输。
2025-09-19